單芯光纖傳輸極限,光通訊領域的摩爾定律?

一篇探討光纖通訊發(fā)展的文章引起了業(yè)內(nèi)熱議，國內(nèi)有不少媒體平臺也轉發(fā)了這則新聞。文章可以基本上簡單概括如下：光纖（optical fiber）通信網(wǎng)容量不足，單芯光纖傳輸極限的問題已經(jīng)迫在眉睫，而未來技術突破口則是多芯光纖，在這一領域，日本企業(yè)的研究開發(fā)走在世界前列。

文章雖然引用了日本“情報通信研究機構”（NICT，日本總務省的下屬機構）和日本相關知識產(chǎn)權部門的一些數(shù)據(jù)，但很遺憾并未能準確報道“多芯”光纖技術的通用學術指稱——光空分復用技術（MCF），日本有關研究光通訊的公司的研發(fā)力度，確實是個值得關注的現(xiàn)象。

單芯光纖傳輸極限——光通訊領域的摩爾定律？

文中提到的一個基本假設在業(yè)內(nèi)也算是一個勉強的共識，即隨著5G技術的發(fā)展，原來單芯光纖每5年增長10倍，而未來5年再增10倍的可能性將非常小，意味著其無力承受極限即將到來（目前單芯光纖傳輸系統(tǒng)的信道容量已經(jīng)提升至了100TB/s），從現(xiàn)實性上講，這比摩爾定律“生與死”的討論更接近具體實踐反饋的零界點。

50年前，光纖通訊領域的前輩們其實就已經(jīng)預感到了這一天遲早會到來，也逐漸構建出多套技術突破應對矩陣模型，其中一條比較典型的路徑就是光空分復用技術。上世紀70年代提出來的未來構想，用同一個包層內(nèi)含多個纖芯的光纖預制棒拉制而成，其包層外形是圓柱體就是目前光空分復用技術的雛形，隨著集成光學和光纖傳感技術的發(fā)展，“Multicore（多核）”新一代光纖的商用化才真正被提上日程。

面對5G智能手機和PC機性能的提升，視頻傳輸越來越成為下一代網(wǎng)絡傳輸載體的主要內(nèi)容，MCF技術商業(yè)化過程中依然面臨著幾個重要難題，比如上述新聞中也提到了這一點：“要準確傳輸光信號，有必要避免其他信號的干擾，但一根光纖的直徑只有0.125毫米，跟頭發(fā)的粗細差不多。因此，纖芯之間的間隔只有0.05毫米左右，與從相鄰纖芯泄漏的光信號產(chǎn)生干擾成為此前的課題?！?/p>

所以光空分復用技術用車輛與道路的關系這個比喻也不完全恰當，建設的道路多了，所以能在道路上跑的車和運輸量會相應大幅增加，但光纖通訊的難題是道路上車輛增加之后的互相干擾，會導致道路通行的擁堵，用業(yè)界行話來表述，就是芯間耦合與串擾。找到了纖內(nèi)芯間串擾抑制方法的突破點，是解決多芯光纖阿基里斯之踵的關鍵。

而某些日本企業(yè)之所以被眾多媒體認定為全球領先，就是在光纖芯間耦合與串擾的解決方面找到了一條較為妥當?shù)慕鉀Q方案。

孜孜不倦的住友電氣

按照日媒的表述，負責專利相關事務的日本特許廳2018年發(fā)布的報告顯示，在光纖的多核領域，在世界上已申請的專利件數(shù)的前4家企業(yè)為藤倉、住友電氣、NTT和古河電氣工業(yè)。其中的標志性事件是2017年NICT成功創(chuàng)造了短距離數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的交換容量世界紀錄： 53.3 Tb/s，這一項紀錄的實現(xiàn)就依靠了跨越多核光纖的空分復用技術，在當年的9月21日在瑞典哥德堡召開的久負盛名的第43屆光學通信系統(tǒng)歐洲會議（ECOC）上，這篇被選為杰出論文。

聚焦專利申請領域，以“多芯光纖”為關鍵詞搜索國家知識產(chǎn)權局網(wǎng)站，申請人統(tǒng)計結果如下：

可以看出，住友電氣株式會社的申請數(shù)量為94個，排名第二的哈爾濱工程大學（75）和桂林電子科技大學（62）；從企業(yè)專利的角度看，不算日本的住友和藤倉，國內(nèi)江蘇中天和長飛光纖光纜排名前兩位。

去年住友電氣一共有三項專利在國家知識產(chǎn)權局注冊，查閱三項專利的具體設置，可以直觀了解這家在光纖傳輸領域深耕不輟的日本公司的技術發(fā)力點都在哪些方面。這三項分別為：一對單一透鏡將多芯光纖連接器（公布時間2020年3月4日），即第一透鏡機構及第二透鏡機構彼此之間的光學耦合；提供能夠提高激勵光的利用效率的光放大器（公布時間2020年5月18日），所涉及的光放大器具有：激勵激光器，其射出激勵光；以及外部諧振器等，通過這項專利，可以提高激勵光的利用效率；住友電氣最近的一個專利申請公布日期為去年7月份，通過查閱這項標為“多芯光纖”的一共28頁的權利要求書和發(fā)明專利申請書，基本可以判斷幾天前日媒廣泛報道的“突破性技術”主要是基于對這一則專利的描述。

這則專利主要想解決的問題是短距離光傳輸中同時如何保證實現(xiàn)優(yōu)異的經(jīng)濟合理性和高兼容性，這項“多芯光纖”包括多個芯部部分、共同包層和樹脂涂層，內(nèi)包層的折射率相對于共同包層的折射率而言偏移，使得內(nèi)包層和共同包層之間的折射率的大小關系相反——對此，專利發(fā)明書在解釋環(huán)節(jié)中，毫不隱諱地點明了，MCF技術看似在理論層面不斷取得突破，卻遲遲無法商業(yè)化的主要原因，是傳統(tǒng)的MCF無法同時實現(xiàn)經(jīng)濟合理性和廣泛兼容性二者，因為從單核到多核，理論上會出現(xiàn)信號互相干擾的串擾（XT），導致通信質量的劣化。

歐美MCF領先，但也不必妄自菲薄

如果我們以媒體報道和學術期刊的MCF詞頻做一個大數(shù)據(jù)研究，就會發(fā)現(xiàn)以NICT、KDDI、NTT為代表的日本光通訊研究機構在MCF領域有優(yōu)良的技術積累，以Bell實驗室為代表的歐美研究機構也在步步緊跟，不過如果更換一個賽道來看，從市場占有率和營收的角度，目前世界上排名前十的光纖通訊企業(yè)，中國占了一半，而住友僅排第八位，如下圖：

排名第一的毋庸紛說，是行業(yè)的巨無霸，也是基礎研發(fā)和市場應用做的最好的美國公司Corning，年營收超過100億美元，緊隨其后的則是YOFC，即長飛光纖——國內(nèi)最早的光纖光纜生產(chǎn)廠商之一。長飛光纖公司擁有完善的研發(fā)平臺和國內(nèi)光纖光纜行業(yè)內(nèi)唯一的國家重點實驗室，產(chǎn)品線研發(fā)專注于光纖預制棒、光纖光纜、特種光纖及其應用等技術和產(chǎn)品，和很多日本廠家的業(yè)務領域并不完全重合，截止2020年6月，公司共擁有授權的有效專利總數(shù)近500件，海外授權專利77件，國內(nèi)廠家諸如長飛光纖、亨通光電（HTGD）、烽火通信（Fiberhome）、富通集團（Futong）之類的龍頭企業(yè)往往在更細分的下游市場展開搏殺，色散補償光纖、保偏光纖市場等潛力巨大，總的來說，在MCF領域還沒有和住友電氣等展開全面競爭。

但這并不意味著中國光纖通訊的市場拓展沒有針對未來技術突破的導向型儲備，光纖通訊行業(yè)和半導體行業(yè)類似的地方是國際分工細密，上下游產(chǎn)業(yè)鏈互相依存度高，生態(tài)效應濃厚。所以它非常需要“善其事”的練兵場，也需要有“利其器”的核心技術，而中國5G市場的蓬勃發(fā)展和消費終端電子產(chǎn)業(yè)的成熟度都為這些企業(yè)準備了良好的施展拳腳的空間。

根據(jù)工信部于2020年7月發(fā)布的數(shù)據(jù)，三家國有電信運營商2020年上半年新建5G基站25.7萬個，截至6月底全國累計5G基站數(shù)量達到41萬個，截至6月末，全國光纜線路總長度達到4890萬公里，同比增加7.6%，國際業(yè)界在普遍用“道路和車輛”比喻光纖通訊和承載量的時候，往往忽視基礎之前的還有一個預基礎，就是建設道路的“鋪路石”——通訊基站和居民、企業(yè)等互聯(lián)網(wǎng)用戶終端應用。

并且，在研發(fā)領域解決芯間耦合與串擾也并非打通學院與市場的充要條件，提高纖芯復用的空間密度的同時，實現(xiàn)光網(wǎng)絡整體容量的增長，還需要收發(fā)端機集成度的提升和網(wǎng)絡節(jié)點轉發(fā)處理能力，換言之，全光交換技術和光子集成技術仍然是全球光纖通訊木桶原理中亟需補強的短板，另外，MCF領域和5G技術的共通性在于全球標準化原則的制定，四年前全球ITU-T SG15全會期間，日本代表團多個場合對多心光纖技術的標準化研究遭到冷遇，眾多歐美設備商和運營商的專家普遍認為此項技術尚處在發(fā)展早期，商用前景依然不明朗。

結論

以住友電氣為代表的日本企業(yè)在空分復用光纖領域確實較為雄厚的技術積累，并且在抑制不同芯區(qū)間的串擾、精確定位光纖芯區(qū)，降低耦合難度等亟待攻克的難題上有了突破性進展，但眾多國內(nèi)企業(yè)則依托國家重點實驗室，在多芯光纖預制棒的組裝等差異化賽道上與日企隔空展開競爭；而且從實驗室-商用的過渡階段上，日本企業(yè)并未有明顯的身位領先，5G通訊技術和電子消費領域這些宏觀市場的相對狹窄，也是限制日企空分復用光纖技術拓展的最大障礙之一。
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